東華大學高頻電子電路通信電子電路課件5-1

1、第5章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器本章內容本章內容1振蕩器的作用、分類；振蕩器的作用、分類；2 振蕩器的構成及工作原理；振蕩器的構成及工作原理；3 振蕩器的振蕩條件；振蕩器的振蕩條件；4 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器5 晶體振蕩器晶體振蕩器6 壓控振蕩器壓控振蕩器 本單元學習內容1 振蕩器的作用、分類；2 振蕩器的構成及工作原理；3 振蕩器的振蕩條件；一、振蕩器在通信系統(tǒng)中的作用 在無線電發(fā)送設備中，用振蕩器產生載波用振蕩器產生載波； 在超外差接收機里產生本振信號產生本振信號； 在各種定時系統(tǒng)中把它作為時間基準信號作為時間基準信號； 在各種通信測量儀器中，用振蕩器作為各各種波段的正弦波信號源種波

2、段的正弦波信號源。思考：在無線收發(fā)機中，振蕩器 功能模塊的作用？圖1-2調幅發(fā)射機原理框圖圖1-3 典型超外差式接收機框圖 二、振蕩器與放大器的區(qū)別是什么？它與放大電路的區(qū)別在于，振蕩器不需要外加信號的激勵，其輸出信號的頻率、波形、振幅由電路的參數確定。5-1 概述 定義定義 振蕩器是一種振蕩器是一種換能器換能器，能自動的將直流電源，能自動的將直流電源的能量轉變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變的能量轉變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變能量的電路。能量的電路。主要技術指標主要技術指標1 振蕩頻率；2 振蕩頻率的準確性準確性和頻率的穩(wěn)定穩(wěn)定 度度；3 振蕩幅度的大小及其穩(wěn)定性； 而其中振蕩頻率的穩(wěn)定度振蕩頻率

3、的穩(wěn)定度最為重要。振蕩器的分類根據產生振蕩波形的不同，可分為： 簡諧波振蕩電路簡諧波振蕩電路，即正弦波振蕩電路（能產生單頻正弦波）； 多諧振蕩電路多諧振蕩電路能產生含有豐實諧波的波形，如：方波、三角波、鋸齒波等。按照振蕩機理的不同，可分為反饋型反饋型振蕩電路和負阻型負阻型振蕩電路。本書只研究反饋型振蕩器。反饋型振蕩電路 利用正反饋將輸出信號的一部分反饋回輸入端，以補充振蕩過程所損失的能量。 振蕩器頻率在200MHz以下的正弦波振蕩器絕大部分采用反饋型振蕩器；負阻型振蕩電路 利用具有負阻效應的器件在一定條件下對負載呈現負阻，即等效一個源的特性來補充或者說抵消諧振回路中電阻所損耗的能量，從而使回路

4、維持等幅的正弦振蕩。 負阻型振蕩器絕大數用于振蕩頻率在幾百MHz以上的正弦波振蕩器，在微波波段用的較多。根據選頻網絡所采用的不同形式，正弦波振蕩器又可分為：i)RC振蕩器振蕩器（低頻振蕩器）ii)互感耦合振蕩器：互感耦合振蕩器：頻率不能工作得很高，一般工作于短波段。例如，調幅廣播接收機。RC串并聯(lián)網絡振蕩器移相式振蕩器iii)三點式振蕩器； OSCOSCOSCOSCOSCOSC電感反饋（哈特萊）基本型（考比茲）電容反饋克拉潑西勒iv)石英晶體振蕩器；OSCOSCOSCOSCOSC串聯(lián)型晶體皮爾斯并聯(lián)型晶體米勒泛音5.2 反饋型振蕩器的工作原理反饋型振蕩器的工作原理 什么是反饋型振蕩器？反饋型振

5、蕩電路是指通過反饋回路將放大電路輸出信號的一部分回送到輸入端作為輸入信號，從而產生正弦波振蕩。反饋振蕩器的組成框圖反饋振蕩器的組成框圖變壓器耦合反饋振蕩器(a)原理電路 (b)交流通路 其主網絡一般由放大器件和選其主網絡一般由放大器件和選頻網絡組成的放大器頻網絡組成的放大器, 反饋網絡反饋網絡一般由無源器件組成。一般由無源器件組成。 如果不考慮反饋網絡，上述電如果不考慮反饋網絡，上述電路就是一個小信號調諧放大器。路就是一個小信號調諧放大器。5.2.1諧振回路的自由振蕩并聯(lián)諧振回路的自由振蕩現象（a）RLC并聯(lián)諧振回路 電阻 表示諧振回路中的損耗。 首先把開關撥向1，直流電源向電容C充電，電容C

6、上的電壓被充至電源電壓 。假設在 時刻，將開關撥向2， eoR0t 該電路產生的振蕩 sintsVietL000220121eeRR CLC式中稱為回路的衰減系數， 代表回路的損耗，稱為回路的固有無阻尼振蕩角頻率。0( )0,0eaR當時，為阻尼振蕩問題問題：0eR 大，振蕩衰減的快還是慢？0( )0ebR 當 （即）時，為無阻尼振蕩，即等幅振蕩如果回路無損耗，即 則衰減系數 有 產生等幅振蕩0eR 0)sinsVi ttL（( )00eocR當（即）時，為增幅振蕩 負阻意味著等效為一個源的特性為諧振回路提供能量。00eR 在實際的LC諧振回路中，由于電感和電容都不可能是理想無耗的，代表回路損

7、耗的 一定大于零，因此RLC并聯(lián)諧振回路中自由振蕩自由振蕩是衰減的阻尼振蕩衰減的阻尼振蕩。0eR為了得到幅度、頻率都不隨時間變化的穩(wěn)定等幅振蕩，可采取兩種方法：1）正反饋的方法：利用正反饋不斷地適時給回路補充能量，使之剛好與電路損耗的能量相等，就可以獲得等幅的正弦振蕩；2）負阻法：在電路中引入一個具有負阻特性的器件，使之等效電阻剛好與電路的損耗電阻大小相等，相互抵消，以獲得一個等幅的正弦振蕩。5.2.2反饋型振蕩器的組成及工作原理 要產生所需的等幅振蕩，必須適時適時、適量適量的補充能量。適量：如果補充的能量超過超過了消耗的能量，輸出信號的振幅會增加；如果補充的能量低于低于消耗的能量，輸出信號的

8、振幅就會衰減；輸出信號穩(wěn)定的振幅，意味著補充的能量與消耗的能量相等，形成一個動態(tài)的平衡。適時：能量的補充必需適時地進行，既不能提前，也不能滯后，因為提前或滯后都會使振蕩頻率發(fā)生變化?？偨Y 振蕩器中必須有一種能夠自動調節(jié)補充能量大小和控制補充時間遲早的機構 前一項任務由放大器來完成； 后一項任務由選頻網絡和正反饋網路實現。反饋型振蕩器由以下兩部分構成其一，負載為諧振回路的高頻調諧放大器；其一，負載為諧振回路的高頻調諧放大器；它不僅要對外輸出功率，而且還要通過反饋網絡提供自身的輸入功率，其能量來源由直流電源提供，其輸出信號的頻率主要由選頻網絡決定。其二，其二，正反饋網絡正反饋網絡通常由無源器件構成

9、的線性網絡，不斷適時的給回路補充能量，使之與回路的能量損耗相等，從而獲得等幅正弦振蕩。反饋型振蕩器原理框圖增益A的放大器放大器和反饋系數F的反饋網絡反饋網絡構成一個閉合環(huán)路。下圖給出一個變壓器耦合反饋型振蕩器交流通路。非常重要的概念：環(huán)路增益環(huán)路增益 將閉合環(huán)路在“X”處斷開，定義環(huán)路增益 ()()()T jA jF j放大器產生自激振蕩的條件放大器產生自激振蕩的條件()() ()1T jA jF j反饋放大器的增益無窮大增益無窮大。增益無窮大的物理意義增益無窮大的物理意義：當輸入信號為零時，放大器具有有限輸出 ，也就是說放大器無需外加信號，就可以產生輸出信號，并自行維持振蕩，該式又稱為巴克豪

10、森準則巴克豪森準則。ou正反饋是產生自激振蕩的必要條件必要條件 必要條件意味著：正反饋不一定能保證產生自激振蕩，但若能產生自激振蕩必然是正反饋。（這部分內容的理解參看課本p94)5.2.3反饋型振蕩器的振蕩條件反饋型振蕩器的振蕩條件一個反饋振蕩器要產生穩(wěn)定的振蕩必須滿足三個條件三個條件： 起振條件起振條件,保證接通電源后能逐步建立起振蕩； 平衡條件平衡條件，保證起振之后能夠進入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)； 穩(wěn)定條件，穩(wěn)定條件，保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞。1 起振過程與起振條件起振過程與起振條件 起振過程起振過程是指接通電源后，振蕩從無到有的建立過程。 起振條件起振條件又稱自激

11、條件自激條件。它表示振蕩電路在接通電源時，輸出信號從無到有建立起來應滿足的條件。問題：振蕩器最初的激勵從何而來？ 第一，第一，來源于放大管基極電壓 ，電壓 在開機后由零升至定值，就相當于接入一個階躍信號，此階躍信號含有多種頻率分量； 第二，第二，電路各部分存在許多形式的擾動，如管子的內部噪聲、輸入回路電阻的熱噪聲等，這些噪聲和干擾所含有的頻率成分十分豐富。這些微小的擾動電壓或電流經過振蕩器放大管的放大，加至負載回路及反饋網絡，由負載回路及反饋網絡，由于負載諧振回路的選頻作用，只有與諧振回路的固有諧于負載諧振回路的選頻作用，只有與諧振回路的固有諧振頻率振頻率 相同的那個頻率成分才能在負載回路兩端

12、產生電相同的那個頻率成分才能在負載回路兩端產生電壓。壓。由于正反饋的存在，這一微弱信號經過放大，反饋，再放大，再反饋，往復循環(huán) 在信號較小的起振階段，每次返回至輸入端信號的幅度總要比前一次的大，振蕩幅度不斷增加，完成起振過程。振蕩器的起振條件振蕩器的起振條件即：即：令令振幅起振條件振幅起振條件：確保 ，即反饋信號幅度大于前一次的信號輸入；相位起振條件相位起振條件：確保環(huán)路始終保持正反饋。正反饋。1fiiuAF uuAF()1oscT jAF,AFjjAA eFF e上式中基本放大器的增益； 反饋系數()()()oscTjoscoscT jTe()1oscTAF()=21,2,.ToscAFnn

13、fiuu 式中 表示環(huán)路增益 的相角； 為基本放大器輸出電壓與輸入電壓的相位差； 為反饋網絡的相移。TTAF2 平衡過程與平衡條件平衡過程與平衡條件 隨著振幅的增大， 放大器逐漸由放大區(qū)放大區(qū)進入飽和區(qū)或截止區(qū)飽和區(qū)或截止區(qū)，工作于非線性的甲乙類狀態(tài)，其增益 逐漸減小。 當 減小到使環(huán)路增益 ，即每次循環(huán)中反饋電壓等于上一次的輸入信號電壓 時，振幅的增長過程將停止振幅的增長過程將停止，振蕩器進入等幅振蕩進入等幅振蕩的平衡狀態(tài)。 這時，每個振蕩周期中，直流電源補充給LC振蕩回路的能量正好等于回路損耗的能量。AA()1oscT jAF反饋振蕩器的平衡條件為反饋振蕩器的平衡條件為()1(=oscfi

14、T jAFuu即）振幅平衡條件振幅平衡條件：決定振蕩器輸出信號的幅值輸出信號的幅值；相位平衡條相位平衡條件件：決定振蕩器輸出信號的頻率輸出信號的頻率。振蕩器的相位平衡條件相位平衡條件表述的是正反饋正反饋，也就是說僅在特定頻率點 上才滿足嚴格的正反饋，在其它頻率點上無法滿足正反饋條件，所以相位平衡條件決定了反饋振蕩器的振蕩頻率。()1oscTAF()=20,1,2,ToscAFnnosc問題：如何保證振蕩器振幅平衡條件振蕩器振幅平衡條件？ 振蕩器的振幅平衡條件是由放大器中晶體管的放大器中晶體管的非線性來保證的。非線性來保證的。在起振時， ，反饋網絡提供的正反饋總是大于前一次反饋，隨著輸入信號幅度

15、的增加，管子在輸入信號的正半周進入飽和區(qū)正半周進入飽和區(qū)，在輸入信號的負半周進入截止區(qū)負半周進入截止區(qū)，也就是當輸入信號 增加到一定程度后， 會出現切頂現象，雖然 不是正弦波形，但由于諧振回路的選頻特性，可選出其基波分量，其輸出的 電壓仍為正弦波形。波形圖如下。()1oscT jbeucici請思考 滿足起振條件起振條件和平衡條件平衡條件的環(huán)路增益應具備什么樣的特性？一般放大器的增益特性曲線均具有上述的形狀，只要保證起振時環(huán)路增益幅值大于，環(huán)路增益的相位 維持在 上即可起振。 ()Tosc2n起振時 ，輸入信號 迅速增長，而后 減小， 的增長速度變慢，直到 ， 停止增長，振蕩器進入平衡狀態(tài)，維

16、持等幅振蕩。()1oscTiu()oscTiu()1oscTiu 在振蕩建立過程中，環(huán)路增益 大于1，放大器的輸入信號 不斷增大。放大器從小信號工作狀態(tài)逐漸轉變?yōu)榇笮盘柟ぷ鳡顟B(tài)，若外界不采取任何附加措施，僅靠晶僅靠晶體管自行從線性放大過渡到非線性放大，體管自行從線性放大過渡到非線性放大，必將必將發(fā)生飽和、截止發(fā)生飽和、截止現象現象。 重要提醒：重要提醒：必須避免振蕩器的晶體管工作在飽和區(qū)！必須避免振蕩器的晶體管工作在飽和區(qū)！請思考為什么？請思考為什么？()oscTiu 因為在飽和區(qū)飽和區(qū)晶體管的輸出阻輸出阻抗極低抗極低，并聯(lián)在諧振回路二端，將會大大降低選頻回路Q值，嚴重影響振蕩器選頻網絡的濾波、選頻功能。這將對振蕩器的頻率穩(wěn)定度產生災難性的破壞。 請思考，如何在振蕩器電路設計中避免晶體管進入飽和區(qū)？管子在增幅過程中是進入截止區(qū)還是飽和區(qū)由晶體管的初始靜態(tài)工作初始靜態(tài)工作點決定。點決定。 靜態(tài)工作點設置在 飽和失真； 設置在 截止失真。 通常振蕩器的靜態(tài)工作點設置在靠設置在靠近截止區(qū)，